多糖與腸道菌群的相互作用研究進(jìn)展

唐圓　謝果珍

摘要? ? 多糖廣泛存在于動(dòng)物、植物及微生物中，具有多種生理活性，是一類重要的功能成分。多糖難以被人體直接消化吸收，需經(jīng)腸道菌群降解后被吸收并產(chǎn)生活性。多糖可通過調(diào)節(jié)腸道菌群、保護(hù)腸黏膜屏障、增加短鏈脂肪酸的含量發(fā)揮其益生元作用，維持人體健康或有助于疾病治療。本文介紹了多糖與腸道菌群的相互作用，以期為多糖的益生元作用研究提供參考。

關(guān)鍵詞? ? 多糖;腸道菌群;益生元;多糖利用位點(diǎn)

中圖分類號(hào)? ? R285? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

文章編號(hào)? ?1007-5739（2020）09-0225-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Abstract? ? Polysaccharide widely exist in animals，plants and microorganisms，and have important physiological activities，it is an important functional component.However，polysaccharide is hard to digest，which is fermented by gut microbiota and then generate pharmacological activities.Polysaccharide plays probiotic role by regulating the intestinal flora，protecting the intestinal mucosa barrier and increasing short chain fatty acids，maintains human health or helps in disease treatment.This paper introduced the interaction between polysaccharide and gut microbiota，in order to provide references for the study of prebiotic effect of polysaccharide.

Key words? ? polysaccharide;gut microbiota;prebiotics;PUL

多糖是廣泛存在于生物中的由10個(gè)以上單糖構(gòu)成的鏈狀糖，具有免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、抗感染、降血糖、降血脂、抗消化性潰瘍、護(hù)肝等藥理作用。表現(xiàn)出藥理活性的多糖大多具有特殊的結(jié)構(gòu)與特性，如具有免疫調(diào)節(jié)作用的多糖一般以β-1，3和β-1，6糖苷鍵為主，同型多糖和異型多糖也具有藥理活性[1]，有學(xué)者將此類多糖稱為“藥用多糖”[2]。多糖不能被人體直接消化吸收，需進(jìn)入腸道內(nèi)被腸道菌群分解后才能被機(jī)體利用。腸道菌群對(duì)多糖的降解是多糖藥理活性產(chǎn)生的基礎(chǔ)。因此，以腸道菌群為媒介，探索多糖的藥效藥理作用及其作用機(jī)制是研究的主要方向。

位于腸道的菌群被稱為腸道菌群，是數(shù)量龐大的微生物群體，發(fā)揮著代謝、營(yíng)養(yǎng)及保護(hù)等重要的生理作用。宿主的基因、年齡、疾病、環(huán)境和外源物（食物、藥物）等都會(huì)對(duì)腸道菌群產(chǎn)生影響。外源物進(jìn)入機(jī)體，必然與腸道菌群產(chǎn)生相互作用。因此，探究多糖的活性及保護(hù)機(jī)制，必須考慮多糖與腸道菌群的相互作用。

1? ? 多糖的益生元作用

2016年國(guó)際益生菌與益生元科學(xué)協(xié)會(huì)（ISAPP）將益生元重新定義為能夠被宿主體內(nèi)的菌群選擇性利用并轉(zhuǎn)化為有益于宿主健康的物質(zhì)[3]。Miguez等[4]提出了益生元的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，一是不能在消化道被消化吸收，二是能促進(jìn)有益菌的增殖，三是有利于促進(jìn)機(jī)體健康。盡管多糖的藥理作用尚未完全揭露，但根據(jù)益生元的定義及標(biāo)準(zhǔn)，研究者們對(duì)多糖的益生元作用已有共識(shí)。多糖難以被消化吸收，但可作為腸道菌群的碳源從而促進(jìn)有益菌生長(zhǎng)，并通過其代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)腸道菌群，改變腸道微生態(tài)的多樣性而發(fā)揮其益生元作用。最近的研究視角也多從腸道菌群著手，明確多糖對(duì)腸道菌群多樣性及組成的影響，尋找特異菌及功能菌，建立“多糖—腸道菌群—疾?。ń】担钡穆?lián)系，明確多糖的益生機(jī)制。

2? ? 多糖對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)作用

現(xiàn)有研究表明，多糖對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)保護(hù)作用是多方面的。在腸道構(gòu)造上，多糖可改善腸道完整性，緩解腸道黏膜損傷;在菌群組成上，多糖可促進(jìn)有益菌增殖、抑制有害菌增殖，從而調(diào)節(jié)腸道菌群，使之形成更平衡的菌群結(jié)構(gòu);在菌群功能上，多糖可上調(diào)碳水化合物活性酶（CAZymes）基因的表達(dá)，提高CAZymes的活性，增加短鏈脂肪酸的生成，減少代謝內(nèi)毒素，降低炎癥因子的表達(dá)和增加緊密連接蛋白的表達(dá)。因此，多糖具有的提高免疫、降血脂、降血糖、減脂等藥理作用，在2型糖尿病、肥胖、癌癥及胃腸道疾病的保健品及藥物開發(fā)中具有極大的價(jià)值。海藻多糖通過選擇性增加擬桿菌屬的某些菌種，提高CAZymes水平，達(dá)到降低血脂的目的[5]。巖藻多糖作用于糞球菌屬、理研菌屬、擬普雷沃菌屬、葡萄球菌屬、鏈球菌屬等，降低炎癥因子表達(dá)和增加緊密連接蛋白的表達(dá)，發(fā)揮降血脂的藥理作用。香菇多糖、馬齒莧多糖主要通過調(diào)節(jié)關(guān)聯(lián)菌雙歧桿菌、乳酸桿菌等抑制炎癥因子白介素-1β（IL-1β）、白介素-6（IL-6）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）等的表達(dá)發(fā)揮抗結(jié)腸炎的作用[6]。

3? ? 腸道菌群對(duì)植物多糖的代謝

多糖的利用率取決于代謝酶的數(shù)量及種類。人體所編碼的消化酶數(shù)量有限，唯一可不需經(jīng)過腸道菌群而能被人體利用的植物多糖是淀粉。腸道菌群可編碼數(shù)量龐大的CAZymes，根據(jù)其作用可將CAZymes分為糖苷水解酶、多糖裂解酶、碳水化合物酯酶和糖基轉(zhuǎn)移酶4類[2]。多糖口服后進(jìn)入腸道，作為腸道菌群的碳源促進(jìn)有益菌群生長(zhǎng)，經(jīng)CAZymes分解后，轉(zhuǎn)化為次生代謝物或發(fā)酵產(chǎn)物被機(jī)體吸收，進(jìn)而影響細(xì)胞增殖和凋亡，調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，改變宿主代謝[7]。

3.1? ? 腸道菌群及CAZymes

不同腸道菌群對(duì)多糖的降解能力有差異，與其所編碼的CAZymes基因數(shù)量有關(guān)，因而某些菌群對(duì)多糖的降解具有通用性，有的具有專化性。例如人體結(jié)腸的優(yōu)勢(shì)菌群——擬桿菌門及厚壁菌門。擬桿菌門中的菌屬平均編碼137.1個(gè)CAZymes基因，故能夠降解多種多糖，而厚壁菌門中的菌屬平均編碼39.6個(gè)CAZymes基因，只能降解少部分特異性多糖[2，7]。值得注意的是，在同一菌門內(nèi)，不同菌種對(duì)多糖的利用能力亦有差異。如同在擬桿菌門中的釋義溶纖維擬桿菌和多毛擬桿菌，分別編碼了421個(gè)和43個(gè)碳水化合物降解酶基因，其降解多糖的能力差異顯著。

多形擬桿菌（Bacteroides thetaiotaomicron）是擬桿菌屬中研究較多的菌種，能編碼α，β-半乳糖苷酶、α，β-葡糖苷酶、β-葡糖醛酸糖苷酶、β-呋喃果糖苷酶、α-甘露糖苷酶、淀粉酶及1，2-β-木糖苷酶在內(nèi)的261種糖苷水解酶及多糖裂合酶，以及包含208種與淀粉利用相關(guān)的同源基因，加之對(duì)環(huán)境的敏感應(yīng)變能力，使其具有強(qiáng)大的多糖分解能力，可利用已知結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的聚糖——植物果膠多糖鼠李半乳糖醛酸聚糖-II（RGII）[8-9]。雙歧桿菌基因組中含有大量與碳水化合物代謝相關(guān)的基因，而且在富含多糖的環(huán)境中表現(xiàn)出物種特異性的適應(yīng)性。另外，雙歧桿菌具有互養(yǎng)活性，可將復(fù)雜的多糖水解后產(chǎn)生較為簡(jiǎn)單的多糖供其他菌利用[10]。

3.2? ? 腸道菌群降解多糖的機(jī)制

人體內(nèi)的擬桿菌屬利用多糖的機(jī)制與多糖利用位點(diǎn)（PUL）有關(guān)。PUL是編碼多糖降解系統(tǒng)的基因簇。PUL編碼的蛋白質(zhì)組成了淀粉利用系統(tǒng)（Sus-like systems）[7]。擬桿菌通過多個(gè)多糖利用位點(diǎn)（PUL）的協(xié)同合作，降解復(fù)雜的碳水化合物[7，11]。以多形擬桿菌降解果膠多糖為例，多形擬桿菌識(shí)別果膠多糖后，同時(shí)啟動(dòng)3個(gè)PUL，不同的PUL編碼不同家族的糖苷水解酶，共轉(zhuǎn)錄出40多種水解酶，形成的復(fù)合體可使鼠李半乳糖醛酸聚糖-I（RGI）骨架解聚，并去除黏附于RGI上的果膠結(jié)構(gòu)域[9，12]。腸道菌群感知、調(diào)節(jié)PUL中的復(fù)雜酶系統(tǒng)的表達(dá)可能與PUL編碼的多肽中的保守序列的N端有關(guān)[12]。厚壁菌降解多糖的機(jī)制研究在2016年取得了突破性的進(jìn)展，厚壁菌降解多糖在結(jié)構(gòu)和機(jī)制上與擬桿菌類似。厚壁菌的基因結(jié)構(gòu)有類似于PUL這樣廣泛存在、多樣化且能編碼大量轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的系統(tǒng)，被稱為革蘭陽(yáng)性PUL。降解時(shí)，目標(biāo)底物首先被胞外碳水化合物結(jié)合蛋白結(jié)合，在轉(zhuǎn)運(yùn)前部分被CAZymes處理，然后ATP轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的解聚。以雙歧桿菌為代表的放線菌門降解多糖的模式類似于厚壁菌門gp PULs，只是雙歧桿菌通過ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，滲透酶和質(zhì)子同向轉(zhuǎn)運(yùn)利用多糖，而厚壁菌門依靠PEP-PTS轉(zhuǎn)運(yùn)[13]。

人體結(jié)腸的細(xì)菌數(shù)量與人體細(xì)胞數(shù)量相當(dāng)[14]。在健康人體中，腸道細(xì)菌處于共生狀態(tài)。Tuncil等[15]將卵形擬桿菌與多形擬桿菌共同培養(yǎng)，研究在不同多糖存在的環(huán)境中細(xì)菌的互惠共生關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同的細(xì)菌表現(xiàn)出對(duì)不同的多糖利用優(yōu)勢(shì)，即對(duì)不同多糖的利用優(yōu)先級(jí)有所差異，這可能是細(xì)菌穩(wěn)定共存的基礎(chǔ)。對(duì)于某種細(xì)菌來說，如果高優(yōu)先級(jí)多糖存在，則其與低優(yōu)先級(jí)多糖利用相關(guān)的基因的轉(zhuǎn)錄將被抑制。

3.3? ? 多糖的代謝產(chǎn)物——短鏈脂肪酸（SCFAs）

腸道菌群把碳水化合物的降解形成的次級(jí)代謝產(chǎn)物及發(fā)酵終產(chǎn)物被腸道上皮吸收或通過門靜脈轉(zhuǎn)運(yùn)至肝臟，對(duì)宿主生理過程產(chǎn)生影響。腸道菌群可將多糖發(fā)酵得到SCFAs。SCFAs主要包含乙酸、丙酸和丁酸，具有抗炎作用，是腸道菌群與宿主之間進(jìn)行信號(hào)傳遞的重要物質(zhì)[2]。另外，SCFAs可增強(qiáng)腸道屏障功能（促進(jìn)黏液生成和連接蛋白表達(dá)）、降低腸腔內(nèi)的氧含量、維持免疫系統(tǒng)健康，對(duì)炎性腸病、結(jié)直腸癌、慢阻肺、哮喘、肥胖和糖尿病等與免疫及炎癥相關(guān)的疾病均有益[16]。常見的產(chǎn)SCFAs的細(xì)菌主要有擬桿菌、梭菌、雙歧桿菌、真桿菌、鏈球菌、消化鏈球菌和瘤胃球菌等[17-18]。如龍眼多糖可讓小鼠腸道菌群中雙歧桿菌編碼的巖藻糖苷酶基因、芽孢桿菌屬及Parabacteroides編碼的阿拉伯木聚糖酶基因富集，進(jìn)而使琥珀酸、乙酸、丙酸和丁酸顯著增加，從而增強(qiáng)宿主在應(yīng)激條件下的免疫功能。因此，多糖進(jìn)入機(jī)體后，找出與SCFAs變化相關(guān)的菌種，對(duì)確證多糖與保健、治療作用的因果關(guān)系有重要意義。

4? ? 展望

4.1? ? 功能宏基因組學(xué)應(yīng)用于腸道菌群研究將是今后的趨勢(shì)

高通量測(cè)序及代謝組學(xué)的發(fā)展為研究多糖及腸道菌群之間的相互作用提供了技術(shù)支撐。16S rDNA、18S rDNA和ITS等可同時(shí)檢測(cè)樣品中不同豐度的物種，實(shí)現(xiàn)從腸道微生物的種群結(jié)構(gòu)到功能分析的全面研究[19]。縱觀多糖對(duì)腸道菌群影響研究，大多是針對(duì)菌群結(jié)構(gòu)及豐度進(jìn)行檢測(cè)，研究層次較淺，而對(duì)菌群所攜帶的基因功能及豐度研究較少。今后研究應(yīng)遵循從宏觀到微觀、從結(jié)構(gòu)到功能的思路，從對(duì)腸道微生態(tài)和菌群結(jié)構(gòu)研究轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)特異菌、功能菌的研究。宏基因組學(xué)在揭示菌群的群落結(jié)構(gòu)和代謝能力有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如Liu N等[20]利用宏基因組學(xué)在白蟻腸道菌群中發(fā)現(xiàn)大量與多糖降解相關(guān)的基因簇和纖維二糖利用途徑;Armstrong Z等[21]研究了北美河貍糞便菌群的功能協(xié)同作用和新型多糖利用位點(diǎn)。因此，今后的研究應(yīng)加強(qiáng)利用這一優(yōu)勢(shì)技術(shù)。

4.2? ? 推動(dòng)中藥復(fù)方功效成分及作用機(jī)理研究

雖然目前大多就某一種或某一類多糖對(duì)腸道菌群的影響進(jìn)行研究，但漸漸有研究將目光投向中藥復(fù)方總多糖在腸道菌群介導(dǎo)下表現(xiàn)出的疾病治療中，期望能為中藥復(fù)方的作用機(jī)制研究提供新思路。因中藥復(fù)方成分復(fù)雜且成分間存在協(xié)同作用，給研究帶來了極大的困難?，F(xiàn)在可將中醫(yī)藥與腸道微生態(tài)結(jié)合起來，通過將中藥復(fù)方的成分拆分歸類，分別研究其與腸道菌群的相互作用，無疑為深入確證中藥復(fù)方的有效成分或有效部位及其作用靶標(biāo)、作用途徑提供了新的視角。如四君子湯總多糖可通過調(diào)節(jié)乳酸菌、細(xì)菌、鏈球菌、擬桿菌、腸球菌、梭菌等腸道菌屬的豐度發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用[22]。在獨(dú)參湯中，人參多糖能提高腸道對(duì)特定人參皂苷的代謝和吸收功能，同時(shí)能增加腸道中乳酸菌和擬桿菌的數(shù)量，恢復(fù)被破壞的菌群[23]。

4.3? ? 重視體外發(fā)酵模型的應(yīng)用

如前所述，腸道菌群對(duì)多糖的代謝及發(fā)酵作用是多糖發(fā)揮藥理活性的基礎(chǔ)。利用體外發(fā)酵模型可研究不同菌種對(duì)多糖結(jié)構(gòu)的影響、研究不同腸道菌群的共生及互養(yǎng)，還可研究多糖藥理活性及其作用機(jī)制。有研究表明，經(jīng)發(fā)酵后的多糖對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)作用更顯著[22，24-25]。四君子湯多糖經(jīng)發(fā)酵后可調(diào)節(jié)更多的菌屬，乙酸和總酸含量增加，與之相關(guān)的腸球菌、薩特氏菌屬和鏈球菌豐度增加，從而使其提高免疫的能力增強(qiáng)[22]。經(jīng)Lactobacillus plantarum發(fā)酵后苦瓜多糖在理化性質(zhì)、單糖組成、分子量和黏度等方面均有改變，而且可優(yōu)化腸道菌群，促進(jìn)SCFAs的產(chǎn)生，從而增強(qiáng)苦瓜多糖在大鼠體內(nèi)的抗糖尿病作用[24]。因此，建立體外發(fā)酵模型，結(jié)合體內(nèi)研究，是多糖深入研究的技術(shù)支撐。

5? ? 參考文獻(xiàn)

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